14.06.2022 - Northwestern University

Un proceso inspirado en la fotosíntesis produce productos químicos básicos

La nueva estrategia es menos costosa y requiere menos energía que los procesos industriales actuales

Químicos de la Universidad de Northwestern se han inspirado en las plantas para revolucionar la fabricación de un importante producto químico industrial.

El equipo de la Northwestern ha utilizado por primera vez la luz y el agua para convertir el acetileno en etileno, un producto químico muy utilizado y valioso que es un ingrediente clave de los plásticos.

Mientras que esta conversión suele requerir altas temperaturas y presiones, hidrógeno inflamable y metales caros para impulsar la reacción, el proceso de Northwestern, similar a la fotosíntesis, es mucho menos costoso y requiere menos energía. El nuevo proceso no sólo es respetuoso con el medio ambiente, sino que además funciona increíblemente bien, convirtiendo con éxito casi el 100% del acetileno en etileno.

"En la industria, este método requiere procesos de alto consumo energético que precisan altas temperaturas, una alimentación externa de gas hidrógeno inflamable y materiales que contienen metales nobles, que son caros y difíciles de obtener", afirma Francesca Arcudi, de Northwestern, co-primera autora del estudio. "Nuestra nueva estrategia resuelve todos estos problemas a la vez. Funciona utilizando luz y agua en lugar de altas temperaturas e hidrógeno. Y en lugar de metales caros, utilizamos materiales naturales abundantes y baratos".

La estrategia resultante ha funcionado sorprendentemente bien. Mientras que el proceso industrial actual da como resultado una selectividad del 90% para el etileno, el enfoque de Northwestern tiene una selectividad del 99% para el etileno.

"Esto es importante porque es un producto químico básico con un alto valor económico", dijo Luka Ðorđević de Northwestern, co-primer autor del estudio. "Cuanto más se pueda producir sin residuos, mejor".

El estudio se publicará el jueves (9 de junio) en la revista Nature Chemistry. Es el primer informe de investigadores que utilizan la luz para convertir el acetileno en etileno.

Este trabajo es el resultado de la colaboración entre Emily Weiss y Samuel I. Stupp y de su esfuerzo conjunto como parte del Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) de Northwestern. Weiss, profesora de química en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern, es la autora correspondiente del artículo. Arcudi es investigador postdoctoral en el laboratorio de Weiss. Ðorđević es investigador postdoctoral en el laboratorio de Stupp. Stupp es profesor del Consejo de Administración de Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica en Northwestern, con nombramientos en el Weinberg College, la Escuela de Ingeniería McCormick y la Escuela de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern.

"En el CBES nos esforzamos por abordar retos fundamentales inspirándonos en la naturaleza", dijo Stupp, director del CBES. "La vitamina B12, uno de los pocos cofactores organometálicos de origen natural, se utilizó en este trabajo como fuente de inspiración para diseñar nuestro catalizador".

Al ser el precursor del 50-60% de todos los plásticos del mundo, el etileno es un producto de gran importancia. Para satisfacer la creciente demanda de este valioso producto químico, la industria produce más de 200 millones de toneladas de etileno al año.

Para generar etileno, los químicos utilizan el craqueo al vapor, un método industrial que emplea vapor caliente para descomponer el etano en moléculas más pequeñas, que luego se destilan en etileno. Pero el producto químico resultante contiene una pequeña cantidad de acetileno, un contaminante que desactiva los catalizadores e impide que el etileno se convierta correctamente en plástico. Antes de que el etileno pueda convertirse en plástico, hay que eliminar el acetileno o convertirlo en etileno.

"La eliminación o conversión del acetileno para obtener etileno puro es un proceso bien conocido en la industria", dijo Weiss. "El proceso tiene muchos problemas, por lo que la comunidad científica ha intentado proponer una alternativa a este proceso. Producir etileno de grado polimérico a partir de una materia prima de dióxido de carbono es una alternativa deseable, pero esta ruta aún no está suficientemente desarrollada. Nuestra estrategia es un primer e importante paso hacia la producción de este importante producto químico con la menor huella energética posible".

En concreto, se necesita una cantidad increíble de energía para alcanzar las altas temperaturas y presiones necesarias para que la reacción química tenga éxito. También se necesitan costosos catalizadores fabricados con metales nobles, como el paladio. Y como el proceso depende de los protones del hidrógeno, que se produce a partir de combustibles fósiles, genera grandes cantidades de dióxido de carbono.

La estrategia de Northwestern evita todos estos problemas. Para convertir el acetileno en etileno, los químicos de la Northwestern sustituyeron el catalizador de paladio por cobalto, una alternativa menos costosa y más abundante. Además, utilizaron la temperatura ambiente y la presión ambiental. En lugar de calor, utilizaron luz visible. Y, por último, sustituyeron el hidrógeno por agua pura como fuente de protones.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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